陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。
陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。
这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。
而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。
纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。
陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能，主要用作高温及耐磨制品。
其最高使用温度主要取决于基体特征。
陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。
法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制造高速列车的制动件，显示出优异的摩擦磨损特性，取得满意的使用效果。
工制备艺浆体浸渍-热压法适用于长纤维。
首先把纤维编织成所需形状，然后用陶瓷泥浆浸渍，干燥后进行烧结。
优点是加热温度较晶体陶瓷低，层板的堆垛次序可任意排列，纤维分布均匀，气孔率低，获得的强度较高。
缺点则是不能制造大尺寸的制品，所得制品的致密度较低，此外零件的形状不宜太复杂，基体材料必须是低熔点或低软化点陶瓷。
晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的加工与制备晶须与颗粒的尺寸均很小，只是几何形状上有些区别，用它们进行增韧的陶瓷基复合材料的制造工艺是基本相同的。
基本上是采用粉末冶金方法。
制备工艺比长纤维复合材料简便很多。
所用设备也不复杂设备。
过程简单。
混合均匀，热压烧结即可制得高性能的复合材料制造工艺也可大致分为配料-成型-烧结-精加工等步骤。
直接氧化沉积法方法：将纤维预制体置于熔融金属上面，添加有镁、硅添加剂的熔融金属铝，在氧化气氛中，不断地浸渍预制体，在浸渍过程中，熔融金属或其蒸汽与气相氧化剂反应生成氧化物。
随着时间的延长，边浸渍边氧化，最终可制得纤维增强CMC。
优点：纤维几乎无损伤、纤维分布均匀、CMC性能优异，工艺简单、效率高成本低先驱体热解法方法：将单独合成的先驱体，通过加温调节其粘度，在高压-真空联合作用下使其浸入并充满多向纤维编织坯件的空隙，在高温下使先驱体热解。
陶瓷基复合材料
图10-7 纤维陶瓷基复合材 料应力-应变曲线示意图 料应力 应变曲线示意图
2）断裂韧性 纤维拔出与裂纹偏转 是复合材料韧性提高的主 要机制。纤维含量增加， 要机制。纤维含量增加， 阻止裂纹扩展的势垒增加， 阻止裂纹扩展的势垒增加， 断裂韧性增加。 断裂韧性增加。但当纤维 含量超过一定量时， 含量超过一定量时，纤维 局部分布不均， 局部分布不均，相对密度 降低，气孔率增加， 降低，气孔率增加，其抗 弯强度反而降低（ 10弯强度反而降低（图108）。
图10-8 CF/ LAS的断裂韧性和弯 的断裂韧性和弯 曲强度随纤维含量的变化
2、高温力学性能 强度、 1）强度、韧性
两图分别为不同温度下SiC 两图分别为不同温度下SiCF/ MAS(MgO.AL２O３.SiO２ )复合材料的力学 性能变化。室温下，复合材料的抗弯强度比基体材料高约10 10倍 性能变化。室温下，复合材料的抗弯强度比基体材料高约10倍，弹性模量 提高约2 复合材料的抗弯强度至700℃保持不变， 700℃保持不变 提高约2倍。复合材料的抗弯强度至700℃保持不变，然后强度随温度升高 而急剧增加；但弹性模量却随着温度升高从室温的137GPa降到850℃ 137GPa降到850℃的 而急剧增加；但弹性模量却随着温度升高从室温的137GPa降到850℃的80 GPa。这一变化与材料中残余玻璃相随温度升高的变化相关。 GPa。这一变化与材料中残余玻璃相随温度升高的变化相关。
图10-6 FCVI法制备纤维 法制备纤维 陶瓷基复合材料示意图
FCVI的传质过程是通过对流来实现。 FCVI的传质过程是通过对流来实现。可用来制备厚壁部 的传质过程是通过对流来实现 件。但不适于制作形状复杂的部件。 但不适于制作形状复杂的部件。 此外,在FCVI过程中，基体沉积是在一个温度范围内， 此外, FCVI过程中，基体沉积是在一个温度范围内， 过程中 必然会导致基体中不同晶体结构的物质共存， 必然会导致基体中不同晶体结构的物质共存，从而产生内应 力并影响材料的热稳定性。 力并影响材料的热稳定性。
陶瓷基复合材料
3、莫来石陶瓷（3Al2O3· 2SiO2, mullite）
莫来石一般是由人工合成的。工业上多用天然高铝矾土、粘土或工 业氧化铝等为原料，常用烧结或电熔法合成莫来石熔块，然后破碎成各 种粒度的莫来石粉料。一般合成温度高于1700℃。
实验室一般用化学法（如Sol-gel法）合成高纯、超细的莫来石粉体。
晶须
（陶瓷）
纤维
（连续、短纤维） （陶瓷、高熔点金属）
1650
结构复合式
（叠层、梯度） （按设计要求选择材料）
水泥
硅酸盐化合物、铝酸盐化合物等
叠层式（叠层、梯度）
（按设计要求选择材料）
二、原材料及其特性
陶瓷基复合材料是由基体材料和增强体材料组成。
基体材料有氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、水泥、玻璃等。 增强体材料主要以不同形态来区分，有颗粒状、纤维状、 晶须、晶板等。
表面强化增韧
陶瓷材料的断裂往往是从表面拉应力超过断裂 应力开始的。由于ZrO2陶瓷烧结体表面存在基 体的约束较少，t-ZrO2容易转变为m-ZrO2，而 内部t-ZrO2由于受基体各方向的压力保持亚稳 定状态。因此表面的m-ZrO2比内部的多，而转 变产生的体积膨胀使材料表面产生残余的压应 力，可以抵消一部分外加的拉应力，从而造成 表面强化增韧。
莫来石质陶瓷通常是在1550~1600℃下常压烧结而成，纯莫来石陶 瓷通常要在1750℃左右才能烧结。
加入适量的稳定剂后，t相可以部分或全部以亚稳定状态存在于室 温，分别称为部分稳定氧化锆（PSZ）或四方相氧化锆多晶体（TZP）。
利用t-ZrO2m-ZrO2的马氏体相变，可以用来增韧陶瓷材料，即 氧化锆增韧陶瓷材料（ZTC）。 ZrO2陶瓷的特点是呈弱酸性或惰性，导热系数小（在100~1000℃ 范围内，导热系数=1.7~2.0W/(mK)，其推荐使用温度为2000~2200℃， 主要用于耐火坩埚、炉子和反应堆的绝热材料、金属表面的热障涂层等。
陶瓷基复合材料介绍
陶瓷基复合材料介绍一、材料定义与特性陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composites，简称CMC）是一种以陶瓷为基体，复合增强体材料的高性能复合材料。
它具有高强度、高硬度、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等优异性能，被广泛应用于航空航天、汽车、能源、化工等领域。
二、基体与增强体材料陶瓷基体的主要类型包括氧化铝、氮化硅、碳化硅、氮化硼等，它们具有高熔点、高硬度、耐腐蚀等特性。
增强体材料主要包括纤维、晶须、颗粒等，它们可以显著提高陶瓷基体的强度和韧性。
三、制备工艺与技术陶瓷基复合材料的制备工艺主要包括：热压烧结法、液相浸渍法、化学气相沉积法、粉末冶金法等。
其中，热压烧结法和液相浸渍法是最常用的制备工艺。
四、增强纤维与基体的界面增强纤维与基体的界面是影响陶瓷基复合材料性能的关键因素之一。
为了提高材料的性能，需要优化纤维与基体的界面特性，包括润湿性、粘结性、化学稳定性等。
五、材料的应用领域陶瓷基复合材料具有广泛的应用领域，主要包括：航空航天领域的发动机部件、机载设备；能源领域的燃气轮机叶片、核反应堆部件；汽车领域的刹车片、发动机部件；化工领域的耐腐蚀设备、管道等。
六、发展现状与趋势随着科技的不断进步，陶瓷基复合材料的研究和应用不断深入。
目前，国内外研究者正在致力于开发低成本、高性能的陶瓷基复合材料，并探索其在更多领域的应用。
同时，研究者还在研究如何更好地控制材料的微观结构和性能，以提高材料的综合性能。
七、挑战与机遇尽管陶瓷基复合材料具有许多优异的性能，但它们的制备工艺复杂、成本高，且存在易脆性等挑战。
然而，随着科技的不断进步和新材料的发展，陶瓷基复合材料的成本逐渐降低，应用领域也在不断扩大。
同时，随着环保意识的提高和能源需求的增加，陶瓷基复合材料在能源和环保领域的应用前景广阔。
因此，陶瓷基复合材料在未来仍具有巨大的发展潜力。
陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料引言。
陶瓷基复合材料是一种由陶瓷基体和其他增强材料组成的复合材料。
它具有优异的耐磨、耐腐蚀、高强度和高温稳定性等特点，因此被广泛应用于航空航天、汽车制造、化工等领域。
本文将介绍陶瓷基复合材料的组成、性能和应用，并对其未来发展进行展望。
一、陶瓷基复合材料的组成。
陶瓷基复合材料通常由陶瓷基体和增强材料组成。
陶瓷基体可以是氧化铝、碳化硅、氮化硅等陶瓷材料，而增强材料则可以是碳纤维、玻璃纤维、陶瓷颗粒等。
这些材料通过复合加工技术，如热压、注射成型等，将陶瓷基体与增强材料紧密结合，形成具有优异性能的复合材料。
二、陶瓷基复合材料的性能。
1. 耐磨性，陶瓷基复合材料具有优异的耐磨性，可以在高速、高负荷条件下保持较长的使用寿命，因此被广泛应用于机械设备的零部件制造。
2. 耐腐蚀性，由于陶瓷基复合材料具有优异的化学稳定性，可以在酸、碱等腐蚀性介质中长期稳定运行，因此在化工领域得到广泛应用。
3. 高强度，陶瓷基复合材料在高温、高压条件下依然保持优异的强度和刚性，因此被广泛应用于航空航天领域。
4. 高温稳定性，陶瓷基复合材料在高温条件下依然保持稳定的性能，因此被广泛应用于发动机、燃气轮机等高温设备的制造。
三、陶瓷基复合材料的应用。
1. 航空航天领域，陶瓷基复合材料被广泛应用于航空发动机、航天器外壳等高温、高压零部件的制造。
2. 汽车制造领域，陶瓷基复合材料被应用于汽车刹车片、离合器片等零部件的制造，以提高其耐磨性和耐高温性能。
3. 化工领域，陶瓷基复合材料被应用于化工设备的制造，以提高其耐腐蚀性和耐高温性能。
四、陶瓷基复合材料的发展展望。
随着科学技术的不断进步，陶瓷基复合材料将会在性能和应用范围上得到进一步提升。
未来，我们可以期待陶瓷基复合材料在新能源领域、生物医药领域等新兴领域的广泛应用，为人类社会的发展做出更大的贡献。
结论。
陶瓷基复合材料具有优异的耐磨、耐腐蚀、高强度和高温稳定性等特点，因此在航空航天、汽车制造、化工等领域得到广泛应用。
陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料是一种由陶瓷基体和增强相组成的新型材料。
陶瓷基复合材料具有优异的耐高温、耐磨损、耐腐蚀性能，因此在航空航天、汽车制造、机械制造等领域有着广泛的应用。
本文将从材料特性、制备工艺、应用领域等方面对陶瓷基复合材料进行介绍。
首先，陶瓷基复合材料的材料特性是其具有的重要特点之一。
陶瓷基复合材料具有高温强度高、热震稳定性好、耐磨损、耐腐蚀等优异性能。
这些特性使得陶瓷基复合材料在高温、高压、腐蚀等恶劣环境下能够发挥出色的性能，因此在航空航天领域得到了广泛的应用。
其次，陶瓷基复合材料的制备工艺是影响其性能的重要因素之一。
陶瓷基复合材料的制备工艺包括原料的选择、配比、成型、烧结等多个环节。
其中，原料的选择和配比直接影响着复合材料的成分和性能，而成型和烧结工艺则决定了复合材料的内部结构和组织。
因此，制备工艺的优化对于提高陶瓷基复合材料的性能具有重要意义。
最后，陶瓷基复合材料在航空航天、汽车制造、机械制造等领域有着广泛的应用。
在航空航天领域，陶瓷基复合材料被用于制造发动机涡轮叶片、导向器、复合材料轴承等部件，以提高其耐高温、耐磨损、耐腐蚀等性能。
在汽车制造领域，陶瓷基复合材料被用于制造发动机零部件、刹车盘、离合器等，以提高汽车的性能和安全性。
在机械制造领域，陶瓷基复合材料被用于制造轴承、密封件、刀具等，以提高机械设备的使用寿命和性能。
总之，陶瓷基复合材料具有优异的性能和广泛的应用前景。
随着科学技术的不断进步，陶瓷基复合材料将在更多领域得到应用，并为人类社会的发展做出更大的贡献。
陶瓷基复合材料应用
当然啦，陶瓷基复合材料的应用可不止这些。在能源、化工、医疗等领域，它也都展现出了非凡的实力。比如在能源领域，它可以用来制造高效的太阳能电池板；在化工领域，它可以用来制造耐腐蚀的管道和容器；在医疗领域，它甚至可以用来制造人工骨骼和牙齿！你说这玩意儿牛不牛？
陶瓷基复合材料应用
哎，说起陶瓷基复合材料，这可真是个让人眼前一亮的高科技玩意！别看它名字里带着“陶瓷”，感觉冷冰冰硬邦邦的，实际上啊，这玩意儿在现代工业里，可是个炙手可热的“香饽饽”。
咱们先聊聊这陶瓷基复合材料是啥。简单来说，它就是陶瓷和别的材料“手拉手”组成的好兄弟，耐磨耐高温，就是有时候太脆了点儿，一摔就碎。但是，一旦它跟其他材料成了好朋友，嘿，那可就不得了了！既保留了陶瓷的“铁骨铮铮”，又多了几分韧性和灵活性，简直就是工业界的“超级英雄”。
其实啊，陶瓷基复合材料之所以能在这么多领域里大显身手，靠的就是它那独特的性能和优势。它不仅硬度高、耐磨耐腐蚀、耐高温低温性能好，还具有良好的机械性能和可加工性。这些优点加在一起，就让它成了现代工业中不可或缺的一员。
说到这里啊，我不禁要感叹一句：科技真是日新月异啊！以前咱们只能想想的事情，现在都已经变成了现实。而陶瓷基复合材料这个“超级英雄”的出现更是让我们看到了科技的力量和未来的希望。我相信啊在未来的日子里它还会在更多的领域里发光发热为我们创造更加美好的生活！
那么，这位“超级英雄”到底有啥过人之处呢？别急，听我慢慢道来。
首先，陶瓷基复合材料在航空航天领域那可是大放异彩。你想啊，飞机火箭在那么高的天上飞，温度低的时候冷得跟冰窖似的，高的时候热得跟火炉一样，一般的材料哪受得了？但是陶瓷基复合材料就不一样了，它就像个“温度调节器”，不管外面是冷是热，都能保持自己的“淡定”。而且啊，它还特别轻，能帮飞机火箭减轻不少重量，让它们飞得更快更远。
《陶瓷基复合材料》课件
陶瓷基复合材料结合了陶瓷和其他材料的优点，具有出色的力学、热学和电 学性能，是一种重要的先进材料。
什么是陶瓷基复合材料？
定义
陶瓷基复合材料是将陶瓷作为基质，与其他材料（如金属、聚合物等）混合制成的材料。
ห้องสมุดไป่ตู้特点
具有高硬度、高强度、耐高温、抗腐蚀等优良性能，可满足各种工业领域的需求。
陶瓷基复合材料的制备方法
结论
陶瓷基复合材料的优点
高强度、高硬度、耐高温、 抗腐蚀等特点使其成为各行 业重要的材料选择。
为何有利于工业发展
在提升产品性能和降低成本 方面具有巨大潜力，能推动 产业升级。
未来应如何发展？
加强技术研究、推动产学研 合作，不断创新和提升陶瓷 基复合材料的性能和应用范 围。
电子行业
用于集成电路、芯片封装等电子器件，提供优异的 绝缘和散热性能。
其他领域
如能源、化工、医疗等领域都有广泛的应用。
陶瓷基复合材料的发展前景
1
技术难点及解决方法
面临制备工艺、材料选择等方面的挑战，需要深入研究和创新技术。
2
未来发展趋势
预计在新能源、高端装备制造等领域有更广泛的应用，为工业发展带来新机遇。
热性能
耐高温性能出众，可 在高温环境下保持稳 定。
电性能
具备优异的绝缘性和 导电性能，适用于各 种电子器件。
其他性能
如耐腐蚀性、低摩擦 系数等特殊性能，广 泛应用于特定领域。
陶瓷基复合材料的应用
航空航天领域
用于制造发动机叶片、航天器外壳等关键部件，提 供高温和高强度的支撑。
汽车工业
应用于制动系统、排气系统等部件，提高汽车的性 能和耐久性。
1 热压法
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C/SiC陶瓷基复合材料的应用领域
1、在刹车系统中的应用 C/SiC制动材料具有低成本、环境适应性强 （如湿态下摩擦系数不衰减）等优势，因 而成为新一代高性能制动材料，从而引起 广大研究者的重视。目前德国研究人员以 研制出C/C-SiC刹车片，并应用于Porsche （保时捷）轿车刹车系统中。
3、低密度 C/SiC陶瓷基复合材料的密度基本在 2.0g/cm3，与高温合金8.0g/cm3的密度相 比具有较大的优势，在航空航天领域应用 时可使结构减重1/2-2/3。 4、性能可设计性强 通过采用不同的纤维预制体编织方式， 可以实现材料性能的预先设计，在满足性 能要求的前提下达到节约成本的目的。
2、在高温连接件中的应用
连续纤维增强陶瓷基复合材料用于热结 构材料的机械连接已取得相当程度的进展。 在欧洲的一项发展计划中，热结构材料的 先进连接技术已经发展得非常成熟，用 C/SiC热结构材料连接，能够防止超音速气 流干扰，且能够在高温下密封、模拟测试 结果证明连接件可以适用于实际高温环境， 并能满足必要的飞行标准。
CVI工艺制备C/SiC和C/C-SiC陶瓷基复合 材料的主要优点：（
（1）可在较低温度下制备SiC基体，避免 高温使纤维与基体发生化学反应，从而对 纤维造成损伤； （2）制备过程中能保持预制体结构的完整 性，实现近净成型制备异型C/SiC和C/CSiC陶瓷基复合材料； （3）可对C/SiC和C/C-SiC陶瓷基复合材料 的成分进行设计；（4）制备的材料的基体 组织均匀、纯度较高。
1、先驱体浸渍裂解法
先驱体浸渍裂解法又成为液态聚合物浸 渍法（PIP），在一定温度和压力下，采用 有机先驱体溶液或熔融体浸渍碳纤维预制 体，交联固化后在惰性气氛中进行高温裂 解，使先驱体转化为SiC陶瓷基体。制备 C/SiC和C/C-SiC陶瓷基复合材料使用的聚 合物先驱体通常为聚碳硅烷（PCS）。
炭/陶复合材料是由碳纤维、陶瓷纤维及其织 物作为增强相，炭、陶瓷作为基体相的一类复合 材料的总称。相比炭/炭复合材料而言，炭/陶复合 材料具有更好的抗氧化性。C/SiC陶瓷基复合材料 具有耐高温、低密度、高强度、高热导率、高耐 磨性、高阻尼系数、热辐射系数、性能可设计性 强等优点。
1、韧性好 C/SiC陶瓷基复合材料具有类似金属的 断裂行为，同时它对裂纹不敏感，经高能 冲击后不会发生灾难性破坏。 2、耐高温 C/SiC陶瓷基复合材料与传统材料相比 具有更耐高温的特点，可在1650oC以下长 时间使用，在1650-2200oC有限寿命使用。
C/SiC陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各 种纤维复合的一类复合材料。陶瓷基体可 为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。这些 先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相 对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致 命的弱点是具有脆性，处于应力状态时， 会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。
而采用高强度、高弹性的纤维与基体复 合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有 效的方法。纤维能阻止裂纹的扩展，从而 得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ合材 料。今天我们主要介绍的是 C/SiC陶瓷基复 合材料。
C/SiC陶瓷基复合材料制备工艺
C/SiC和C/C-SiC陶瓷基复合材料的制备工 艺的关键是：纤维损伤小；纤维/基体界面 结合强度适中；克服基体致密化过程中的 “瓶颈效应”；制备成本低。 制备C/SiC和C/C-SiC陶瓷基复合材料的基 备工艺主要有：先驱体浸渍裂解法（PIP）、 化学气相渗透法（ CVI）、液相渗硅法(LSI） 及综合工艺。
3、在热防护系统中的应用
在航空航天领域，当飞行器进入大气层 后，由于摩擦产生的大量热量，导致飞行 器受到严重的烧蚀,为了减小飞行器的这种 烧蚀,需要一个有效的防热体系。如航天飞 机和导弹的鼻锥、导翼、机翼和盖板等。 纤维增强陶瓷基复合材料是制作抗烧蚀表 面隔热板的较佳候选材料之一。
目前，欧洲正集中研究载人飞船及可重 复使用的飞行器的可简单装配的热结构及 热保护材料， C/SiC复合材料是其研究的一 个重要材料体系，并已达到很高的生产水 平。波音公司通过测试热保护系统大平板 隔热装置，也证实了C/SiC 复合材料具有优 异的热机械疲劳特性
PIP法的优点是：（1）先驱体分子可设计， 可制备成分均匀的基体；（2）制备温度低， 设备要求简单；（3）可无压烧结，对纤维 的化学和机械损伤较小；（4）可制备大型 复杂形状的构件。
2、化学气相渗透法
化学气相渗透法首先将碳纤维预制体置 于CVI炉中，制备热解炭涂层，在通过CVI 或者前驱体浸渍/炭化工艺制备低密度C/C 坯体，然后用CVI工艺，以三氯甲基硅烷 （CH3SiCl3，MTS）作为SiC气源，以H2 和Ar作为还原气体和载气，在碳纤维预制 体的表面和内部发生原位化学反应沉积生 成SiC基体，从而得到C/SiC和C/C-SiC陶瓷 基复合材料。
3、液相渗硅法
液相渗硅法的基本过程为：首先采用CVI或液 相浸渍/炭化工艺得到低密度的C/C复合材料；然 后采用熔融Si在真空下通过毛细作用进行浸渗处 理，使Si熔体与C基体反应生成SiC基体。 LSI法优点是：（1）制备周期短、成本低、残余 孔隙率低；（2）实现近净成型制备复杂形状的 C/SiC和C/C-SiC陶瓷基复合材料。